安森美分析电子保险丝的选型要点

即便是不起眼的保险丝，也不可避免地受到技术进步的冲击，以往简单的玻璃管保险丝正逐步被功能更强大、更先进的智能电子保险丝(eFuse)所取代。

电子保险丝与传统保险丝的区别

尽管变化很大，但保险丝的基本功能始终如一。保险丝始终都是保护电路免受过电流影响的保护器件，无论过电流是数百安培，还是仅仅几毫安。通常情况下，采取的保护措施是将电路与电源断开。对于传统保险丝来说，这意味着保险丝会熔断，需要实际更换保险丝。而电子保险丝则是通过半导体开关来断开连接，因而可以进行复位，而且通常能够自动复位。

安森美(onsemi)的电流保护器件：电流保护

传统保险丝仅仅依靠其中的熔丝来决定何时断开负载（又称“熔断”），而电子保险丝的“熔断”特性是可以改变的，最常见的方式是在一个专用引脚上连接一个外部电阻器。然而，要理解电子保险丝的“熔断”机制，需要考虑的因素远不止流过器件的电流。

电子保险丝选择要点

首先要了解电子保险丝的热特性，因为热特性可能会有很大差异。在大电流通过的情况下，热应力是许多系统常见的故障原因，并且随着器件尺寸不断减小，这种现象愈发普遍。

任何器件（包括电子保险丝）的热性能都与其物理尺寸和结构有关。在大多数设计中，半导体结与周围环境空气之间存在多层结构，热量必须穿过这个“热阶梯”才能散发出去。

图1：典型电子保险丝的热阶梯

热量的传递需要时间，因此与短脉冲相关的热量会全部留在器件内部。在许多电子保险丝中（具体取决于热容），持续时间超过10毫秒的脉冲所产生的部分热量会传递至封装，然后开始向周围环境空气或器件所在的PCB散热。

通过分析稳态电流，可根据热阻抗(ºC/W)、环境温度和最高结温来确定电子保险丝的RDS(ON)。据此，设计人员能够计算出特定器件的工作极限。

接下来，通过施加不同持续时间的大电流脉冲来评估电子保险丝的动态性能。由此可以推导出（并绘制出）热阻抗随脉冲持续时间变化的曲线。

一般来说，脉冲持续时间越短，热阻抗越低，而RDS(ON)和芯片尺寸等参数将决定这些较短脉冲下阻抗曲线的形状。对于持续时间较长的脉冲（热量有时间在器件中扩散），PCB对曲线形状的影响会更大。诸如更多的层数、更厚的铜层以及散热焊盘等特性，都会改变曲线的形状。

虽然特性表征的方法是一致的，但必须针对每个具体应用分别进行，以考虑各种可变因素（例如PCB）。只有这样，并且清楚了解电流脉冲的幅度和持续时间，才能为特定应用选择正确的电子保险丝。

尽管这种特性表征很有用，但在实际应用中，需要将阻抗与时间之间的曲线转换为电流与时间之间的曲线。为此，必须知道RDS(ON)和∆t（芯片温度的可接受变化量）。

图2：电子保险丝的热限制曲线

根据这些曲线，可快速轻松地确定在给定结温(Tj)上升情况下脉冲的最大持续时间。当然，良好的设计实践要求留出一定的安全裕度，而这需要根据每个应用的具体情况来确定。

最后要考虑的是任何会承载电流且电流会流经电子保险丝的导线。所使用的参数是“电流平方x时间”，即I2t。对于传统保险丝，这个参数通常被定义为一个固定值，并且会与保险丝的标称电流一起给出。

然而，这种直线方式人为地限制了性能，实际上电流越低时，线束能够承受更长的时间。因此，电子保险丝的跳闸点通常会遵循一条曲线，以便更好地发挥系统的性能。

采用这种曲线方式可以使系统元件的尺寸更符合所需的性能要求，同时还能节省空间、减轻重量并降低成本。

电子保险丝的未来

安森美目前正在研发能在非恒定I2t条件下工作的电子保险丝，其曲线点和参数可通过I2C或SPI等串行通信协议进行编程设定（并且如果需要，还可以重新编程）。这类保险丝将包含若干典型曲线，用户可以将这些曲线作为新设计的起始参考依据。